風電機組遠程故障處理及容錯運行

文 | 王明軍

風電機組通常安裝在人跡罕至的荒郊野外，現場技術力量薄弱、服務難度大、維修成本高，故障處理不及時帶來的發電量損失不容忽視。尤其是隨著海上風電的發展，登機處理故障的難度更大，因單機功率大，故障停機損失巨大。因此，風電機組的故障容錯運行受到國內外的廣泛關注。通過有效的容錯機制以優化機組運行，在不登機維修的情況下，還能繼續發電，將能有效降低機組故障帶來的損失。

由于我國風電行業起步較晚，業內對機組故障屏蔽在認識上存在一定的偏差，普遍對故障屏蔽帶來的好處認識不足，而對其帶來問題又過分夸大，這無疑為機組容錯運行制造了障礙。尤其是在我國風電行業的快速發展時期，一些事故原因未能查清，導致業內至今還存在不少誤解。國家電力管理部門對風電機組的管理等同于火電、核電機組，規定不能通過互聯網和手機APP對風電機組實施遠程操控，從而失去了機組容錯運行的必要條件。因此，我國對風電機組的遠程故障處理及容錯運行研究較少。

從國外相關文獻及研究成果來看，目前，有關風電機組的故障容錯研究主要從以下兩方面展開：

（1）變頻器結構的改進。增加一組備份冗余橋臂代替故障橋臂；采用6/5橋臂容錯變頻器拓撲實現故障容錯；利用直流電壓的中點進行電路重組。

（2）電機本體改進或設計。將多相電機應用到大功率風力發電系統中。大功率變頻器通常是由許多單元級并聯而成，大功率電機的繞組通常也由許多并聯的線圈組成。因此，電機和電力電子電路可以通過重新配置應用在多相發電系統中，并且不需要增加硬件。

上述方法中，需要修改原變頻器結構和電機設計，技術難度大。在增加成本的同時使電路結構變得更加復雜，且實際應用中還受機艙空間的限制。因此，需要深入挖掘現有系統的容錯潛力，在不改變或對現有硬件做微小改變的情況下，使機組具有更高的容錯能力，有效降低故障帶來的損失。同時，保證機組、部件及電網安全，避免重大事故的發生。

本文著重介紹當機組主控報故障停機后，通過遠程修改主控參數，即：修改相關主控運行參數，修改主控設置的狀態碼或溫度端口狀態等，實現機組容錯運行。

風電機組按照主控程序在無人干預下自主運行，機組啟停通常是依據主控程序執行。當主控程序判斷機組存在故障時，則會執行保護性停機。然而，按主控程序執行的保護性停機故障，與專家判斷的機組不能運行之間存在著差距。在設計時，風電機組的保護等普遍采用了冗余設計，這給容錯運行提供了條件。再者，因各種原因，還存在主控誤報等問題，因此，在機組報故障停機后，時?？赏ㄟ^專家診斷和遠程操控使之繼續運行。

通過修改參數實現機組容錯運行，其技術簡單、操作方便、不改變機組結構和性能。當某個冗余保護、冗余部件出故障停機，可以通過遠程屏蔽故障啟機，在機組維修后，再解開故障屏蔽。隨著互聯網和現代通信的發展，這種遠程處理故障方式在國外的某些知名整機廠家中早已普遍運用。此技術在我國的普遍運用將能大幅度提高國產機組的可靠性和穩定性。

遠程管理、故障診斷與處理

在保證電網、機組及部件安全的前提下，充分利用現代通信技術實施遠程登錄，并加強機組的操控、修改權限管理。通過遠程判斷和機組故障處理，減少現場服務和登機次數，將能大幅度降低機組運營成本。

可通過遠程處理的機組故障包括：通過故障屏蔽、修改參數等手段實現容錯運行的機組故障和通過特殊容錯技術處理實現容錯運行的機組故障。下面就遠程容錯處理恢復機組運行予以分析和討論。

一、遠程管理與權限設置

業內有這樣的說法：“現場由于某些原因（備件不足、缺少備件），使得風電機組某些故障被屏蔽掉，這樣做會非常危險，有些故障的屏蔽甚至會導致機組倒塌，造成極為惡劣的后果?！比绻硞€故障被屏蔽掉就導致機組倒塌，那么，應該由主控程序設定該故障不能屏蔽。若確實因現場維修人員屏蔽了某個故障后造成了機組飛車倒塌事故，其主要是由主控程序不夠完善、編程人員考慮不周，或權限管理等問題造成，而非現場故障屏蔽引起。但是，某些主控由主控程序設置了可以屏蔽的故障，如果沒有經過充分、周密思考和判斷，以及相應的保證措施，屏蔽故障確實可能帶來不良后果。因此，需通過加強對數據修改、故障屏蔽的權限管理，以保證部件安全，提高發電量。下面以設計優良相對完善的WP3100直流變槳主控程序為例，對機組權限管理和故障屏蔽等問題展開論述。

為了便于機組管理、保證機組安全， WP3100主控程序設置了多級控制權限，有100級、99級、80級、10級等，這些權限都能用于復位啟機。為了能辨別操作者身份，在99級、80級、10級中，可以設置多個登錄身份和密碼。每次利用登錄身份和密碼登錄后，主控均有記載。權限級別與屏蔽故障、參數修改相對應，不同權限能操作屏蔽的狀態碼和修改的參數是不同的。99級權限是現場操作的最高權限，能操作的狀態碼和參數最多，主要在調試階段和機組維修時使用；機組投入正常運行，現場使用的權限一般為80級，主要用于查看機組狀態和復位啟機；10級權限最低，能查看的項目較少，主要用于復位啟機。100級權限由主控程序設定，只有一個，除了具有最高修改權限外，主要用于權限管理，可以控制和管理所有低級別權限的賬戶和密碼。

高權限可設置多個比自己權限低的登錄賬戶。根據現場需要，通過100級權限給現場維修維護人員授權，并提供與其維護、維修及故障處理相當的登錄賬戶和密碼，對于具有修改權限的99級，在故障處理使用完畢后，應通過賬戶和密碼管理及時收回。

該主控設置了幾百個表明機組狀態的狀態碼，大多數狀態碼及所有溫度端口均能用100級和99級權限屏蔽，屏蔽狀態碼通常又叫屏蔽故障。該主控有49個關系到機組、人身安全的狀態碼（其中，有的既屬于機組故障，同時又表示機組狀態；有的則僅表示機組狀態）只能報出和顯示，任何權限均不能屏蔽。也就是說，即便使用100級最高權限也不能屏蔽。對于這類不能屏蔽的故障，應引起重視。不能采取回避、跳過此類故障的錯誤處理方式。例如，采取線路短接跳過此類故障，或采取錯誤手段跳過機組自檢等。

例如，狀態碼1159，脫離限位開關故障，屬于由主控程序設定的不能屏蔽狀態碼。剎車190，通常葉片回到90°，不能到正常的92度限位開關位置。當存在此故障時，報高級別剎車電池順槳，機組只能通過輪轂驅動器順槳，而不能切換到正常的電池順槳。如不處理，在適當的條件下可導致三支槳葉同時不能順槳，導致飛車事故的發生，這個故障可能由接線錯誤或短接造成，啟機時不能通過機組自檢，也不能遠程復位。

該故障的危險性在于，一方面，如果機組存在該安全隱患，且在機組并網運行期間沒有報故障停機，也沒有出現定期機組自動電池檢測、登機維修（如：實施機組斷電、啟動葉片維護開關）或集電線路停電等。這樣，機組就不會出現高級別剎車或自檢，就難以發現該故障。這就是為何“倒塌機組都是運行得特別好的”。另一方面，在現場可以通過非正常手段繞過機組自檢實現并網。當機組并網后，只要不出現高級別剎車和電池檢測，機組就一切狀態正常。如機組維修人員對該故障的危險性認識不足，或重視度不夠，并采取錯誤方式啟機并網，也可能造成機組飛車倒塌事故的發生。再如，狀態碼13（手動停機），也屬于由主控程序設定不能實施屏蔽（修改）的狀態碼。該狀態碼不僅涉及機組安全，更關系到人身安全。

在我國風電的快速發展期，不少機組實現了主控國產化。在主控研發和生產初期，由于編程人員缺乏實踐經驗，沒有深入理解風電機組的運行原理，僅是通過國外知名廠家的主控說明書仿冒編程。有的主控把絕大部分主控參數設置為不能修改，所有故障都不能屏蔽，這樣，必然會造成不必要的發電量損失；有的國產主控則是只要權限足夠，所有參數均可修改，所有狀態碼都可以屏蔽，如果出現了屏蔽錯誤，則可能造成嚴重后果。由于開發時間短，在主控編程和硬件設計上，國產主控大多很少或沒有考慮現場維修和判斷故障方便問題，更沒有考慮通過遠程實施安全檢查、故障診斷及故障處理等對主控軟件硬件的一系列要求。

二、遠程故障診斷與處理

設計完善的主控程序和后臺軟件，在機組故障診斷和遠程故障處理中起著重要作用。在適當的條件下，可以通過主控的參數修改和故障屏蔽實現遠程故障診斷和處理等。

首先，通過修改主控參數實現機組遠程故障診斷。

WP3100主控具有眾多可通過SCADA軟件進行遠程操控并可設置為不同狀態的硬件端口，以及大量與機組故障診斷有關的可修改參數，極大地方便了遠程及現場故障診斷。如不能修改參數和屏蔽故障，判斷和處理機組故障的難度將增加，給機組維修帶來不便。尤其是在實施風電場機組的“集中監控，區域維修”時，故障屏蔽和參數修改權限授權給整機廠商總部現場經驗豐富的專家，則便于他們遠程診斷故障。

例如，判斷機組的“異常振動”是否與并網后有關。故障檢查時，需要暫時甩開變頻器，讓機組在不同轉速下空轉運行。對于WP3100主控，只要修改相關參數，改變相應的主控硬件端口狀態，屏蔽相關狀態碼，就能實現不同轉速下的機組空轉運行，很容易判斷出機組振動是否與并網加載有關，給遠程故障檢查和判斷帶來了方便。

其次，通過主控參數修改和故障屏蔽實現遠程故障處理。

在保證機組及部件安全的前提下，通過短時間的參數修改和故障屏蔽，盡量多地讓機組發電。在機組及主控程序設計完善的情況下，在適當的條件下，一方面，通過參數修改和故障屏蔽，讓機組性能得以充分發揮。另一方面，應經過處理者周密的判斷和分析，確保在機組遠程故障處理到故障維修的時間段內，不會產生新問題。

在參數修改后，應有詳細記載。通過適當措施保證機組的遺留故障能及時處理，在故障處理后，把修改參數恢復到正常設置值。對遠程故障處理的遺留問題，應根據故障和現實情況的不同，選取不同的時間點處理：可以在小風、無風時再作處理；與必須登機處理的機組故障一并處理；也可以在機組維護時再對遺留故障進行處理。

另外，參數修改和故障屏蔽是車間、現場調試及現場維修的需要。

在車間調試階段，因不滿足現場運行條件，主控的眾多參數與現場不同，很多故障需要屏蔽；在現場調試階段和故障處理時，需要屏蔽故障，當調試和故障處理完畢，符合并網條件后，再把全部故障解開，恢復到正常的參數設置。

容錯運行

提高系統可靠性的一個基本方法就是使用容錯技術，即一個系統在出現故障時能夠依靠系統內在的能力保持連續正常的運行。對于機組的傳感器故障、線路故障、個別部件損壞以及輕微電氣故障，可通過修改參數、優化控制算法和硬件重構等方式實現容錯運行。

容錯，顧名思義就是允許出錯，工程上指在系統中，當一個或多個部件出現故障時，系統必須將發生故障的部件從系統中隔離開，然后采取相應措施維持其規定功能，或在可接受的性能指標變化下，繼續穩定可靠運行。

故障容錯可分為參數修改容錯、硬件容錯和軟件容錯。參數修改容錯主要指故障停機后，保證機組及部件安全和原機組性能基本不變的條件下，通過修改主控參數、屏蔽主控溫度端口，或屏蔽主控設置的狀態碼等手段使機組再次恢復運行；硬件容錯主要指故障后的硬件系統重構，著眼于機組本體的容錯設計和變頻器的結構容錯等；軟件容錯主要考慮故障容錯控制，著眼于故障后的控制策略與算法優化。

要實現遠程故障處理、容錯運行，還需有以下幾方面作為支持和保障：

第一，在產品設計上，采用冗余設計，有充分的余量。

在設計時，機組應有多重保護和冗余的硬件設置。如：每臺機組安裝兩個風速儀、兩個風向標，每支葉片均有兩個檢測葉片角度的編碼器等。當兩傳感器中的一個出現故障后，便于采用修改參數容錯，使機組恢復運行。

第二，在產品設計上，采用容錯技術。

硬件容錯。如，備份式冗余設計是在原來的系統設計中加入冗余硬件開關代替故障開關，實現容錯控制；變流器的拓撲結構設計是在故障后改變原來的拓撲結構，配合適當的控制策略實現容錯運行；多相電機具有較低的轉矩脈動、更高的容錯性能。大功率變流器常常是由許多單元級并聯而成，大功率電機的繞組通常也由許多并聯的線圈組成。因此，電機和電力電子電路可以通過重新配置應用在多相發電系統中，并且不需要增加硬件。當一相故障或缺失，功率損失比一般電機小得多。

軟件容錯。如，脈寬調制算法改進，當變流器中某一個IGBT故障后，由于其反并聯的二極管仍是完好的，變流器仍可以在三相條件下運行，但電壓矢量會產生畸變。用一個正常矢量來補償代替發生畸變的矢量，實現容錯運行；矢量控制容錯，在運用矢量控制的容錯系統中，一般是對PWM調制方法進行改進，使系統良好穩定運行；直接轉矩控制（DTC）和直接功率控制（DPC）分別應用在永磁同步發電機機側變流器和網側變流器的故障容錯控制中。

第三，合格的維修維護人員和完善的制度。

容錯運行使用不當，則可能使小故障變成大故障，使機組利用率更低，發電量損失更大。遠程故障處理技術人員應有豐富的風電場機組維修維護的實踐經驗、較高的技術水平及責任心。并采取有效措施確保在近期或機組維護時處理遺留問題，以保證機組和部件安全，以及下一次在遠程處理故障時，采用容錯運行的可能。

因在遠程故障處理中采取了容錯運行，為了讓可能產生的問題得到及時糾正和處理。在機組維護、維修時還應檢查機組主控的參數及狀態碼設置等。在登機進行維護、維修時，應讓機組的參數、軟件和硬件均恢復到正常設置和正常狀態。

遠程管理與電網安全

前面介紹的風電機組遠程故障檢查、診斷和處理，需通過遠程通信和互聯網技術手段，并以機組的遠程操控為基礎。而國家電監會于2012年3月1日發布的《關于加強風電安全工作的意見》中要求：“禁止通過公共互聯網絡直接對風電機組進行遠程監測、控制和維護?！?/p>

行業規定及思維觀念需持續更新，這正如銀行存款、取款業務。在現代通信和互聯網出現之前，存取款業務只能通過柜臺辦理。隨著網絡技術和互聯網的發展，人們的存取款業務可以通過網絡在世界各地辦理，極大地方便了顧客，減少了運營成本。風電場設備管理，其服務對象主要是風電機組，與銀行顧客一樣相當分散。風電機組又大都分布于人跡罕至的偏遠地區，其狀態不定。應做好遠程管理和遠程技術服務，以提高服務的有效性和及時性。

實現機組的遠程故障檢查、診斷和處理，同時保證機組、部件及電網安全，需要做好以下幾方面的工作：

首先，具有完善權限管理，并充分考慮了現場故障診斷與處理的主控程序，優秀的遠程操控軟件（SCADA軟件）和相關制度，以便于遠程權限管理，保證機組運行、電網安全。在后臺軟件和主控的功能設置上，還應充分考慮在機組登錄互聯網后，可能對電網造成的不利影響。例如，對于能夠遠程操控的風電機組，后臺軟件不能設置類似機組“群停”等危及電網安全的功能，以避免錯誤操作或惡意破壞，對電網安全造成不利影響。采取措施避免黑客攻擊等。

攝影：李新星

其次，除主控外，機組重要部件還應與風電場環網通信配套，以便于這些部件的遠程檢查與故障診斷。在機組各部件設計時，應充分考慮遠程檢查與故障診斷。眾多故障診斷主要是通過主控得以實現。而類似變頻器等復雜且相對獨立的機組部件，應具有與機組通信控制器相配套的軟硬件接口，以滿足變頻器等部件本身的故障檢查、診斷與處理；遠程操控界面和使用軟件，應力求與現場機組的人機界面、風電場SCADA軟件及調試軟件一致，以利于遠程指導。

再次，制定相關政策和措施以保證風電機組遠程操控的順利實施。國家電力部門在制定相關政策和標準時，應充分考慮風電設備的特點和特殊性，如：在通常情況下，風電機組的單機發電功率不足大型火電設備的千分之一，且地處偏遠，因此，在風電管理時不能照搬火電、水電等其他電力設備的現成經驗。

總之，在風電機組的運行管理上，國家相關部門、電網、整機生產廠家及運營商等應相互支持，共同營造風電發展的有利環境，提高機組運行的穩定性，最大限度地降低機組運維成本。

結語

依據風電機組的固有特性及其運行、維修和維護的特點，充分利用手機APP和互聯網遠程通信技術，加強風電機組的權限管理。通過遠程故障檢查、診斷和機組的容錯運行，提高機組運行穩定性和安全性。在保證機組及部件安全的前提下，盡量多地發電，以期最大限度地降低壽命期內的機組度電成本。